In Dickschichttechnologie gedruckte Potentiometer

Redakteur: Anne Richter

>> Gedruckte offene Potentiometer sind schon seit Längerem im Fokus der Entwickler. Mit den heutigen Möglichkeiten der Polymer-Dickschichttechnologie lassen sich inzwischen Lösungen darstellen, die vor wenigen Jahren noch undenkbar waren. Drei technologische Ansätze werden im Folgenden näher beleuchtet: in Dickschicht gedruckte offene Potentiometer als Stand-alone-Lösung, Aufbringen von Polymer-Widerstandsbahnen auf Leiterplatten und biegsame offene Potentiometer auf radialen Oberflächen.

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Standard-Schleifer für geschlossene Folienpotentiometer.
Standard-Schleifer für geschlossene Folienpotentiometer.
(Bild: Hoffmann + Krippner)

Die Entwicklung von Leitpolymeren für den Widerstandsdruck begann 1965 mit dem amerikanischen Apollo-Raumfahrtprogramm. Bis dahin gab es nur Draht- oder Carbonpotentiometer. Gedruckte offene Potentiometer mit hoher Auflösung, langer Lebensdauer, grosser Genauigkeit und guter Temperaturbeständigkeit aus ausgasungsfreiem Material waren nicht verfügbar. Dies ist heute anders. In Dickschicht gedruckte Widerstände werden heute im Weltraum genauso eingesetzt wie im Automobil oder in Spielzeugen. Es gibt hier aber deutliche Qualitätsunterschiede.

Die nachfolgend beschriebenen technologischen Ansätze basieren auf Pastenentwicklungen der Hoffmann + Krippner GmbH. Zentrale Eigenschaften von gedruckten Widerständen aus den neuen Polymerpasten sind eine gute Linearität sowie – in Verbindung mit einem tribologisch gepaarten Schleifer – eine lange Lebensdauer. Durch einen «Lotusblüteneffekt» der Oberfläche wird zudem ein hoher Schutz gegen Umwelteinflüsse erreicht.

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Gedruckte offene Potentiometer als Stand-alone-Lösung

Gedruckte offene Potentiometer werden bislang überwiegend als Stand-alone-Lösung eingesetzt. Das heisst, die Potentiometerbahn wird auf Keramik, Leiterplattenmaterial, Kaptonfolie oder in seltenen Fällen auf andere Materialien gedruckt. Als Abgriff wird ein spezifischer Schleifer (Form, Material) verwendet. Wenn der Anwender die Interaktion zwischen dem potentiometrischen Sensor und dem dynamischen Kontakt (Schleifer) beherrscht, führt das zu hervorragenden Ergebnissen:

  • Signalverstärkung = 1
  • passives System ohne EMV-Probleme
  • nur zwei Komponenten zur Signaltransformation erforderlich: gedruckte Potentiometerbahn auf Träger (z. B. FR4 oder Folie) und leitfähiger Schleifer
  • quasi verschleissfrei bei richtiger tribologischer Paarung der Polymerschicht mit dem Schleifer

Vom Anwender sollte eine professionelle Beratung für seine spezifische Applikation eingefordert werden. Ein optimales Ergebnis kann nur erzielt werden, wenn der Schleifer der Dickschicht-Polymerpaste angepasst wird.

Aufbringen von Polymer-Widerstandsbahnen auf Leiterplatten

Bislang wurde bei der Kombination von offenen gedruckten Potentiometern mit Leiterplatten wie folgt verfahren: Ein auf ein separates Trägermaterial gedrucktes Potentiometer wurde nach dem Bestückungsprozess der Leiterplatte auf dieser befestigt. Mit der heutigen Generation von Dickschichtpasten kann dieser Prozess wesentlich vereinfacht werden. Die Potentiometerbahn wird dabei vor dem Bestücken direkt auf die zu bestückende Leiterplatte aufgedruckt. Anschliessend wird diese Leiterplatte bestückt, wobei ein mehrmaliges Durchlaufen des Lötprozesses (Reflow- oder Wellenlöten) möglich ist. Ansonsten gelten hier die gleichen Eigenschaften wie bei gedruckten Potentiometern – nur, dass durch die reduzierten Prozessschritte nicht nur der Preis, sondern auch die Fehlerbetrachtung günstiger wird.

Biegsame Potentiometer auf radialen Oberflächen

Für Anwendungen auf radialen Oberflächen werden üblicherweise PET- oder Kaptonfolien eingesetzt. Darauf gedruckte Potentiometer haben folgende technologisch bedingte Nachteile:

  • Basismaterial PET: Niedertemperaturfolien wie PET (Polyethylenterephthalat) werden mit lufttrocknendem Leitsilber und Carbon bedruckt. Diese Materialien sind nicht abriebfest und nicht beständig gegenüber Lösungsmitteln, Ölen etc. Bei gedichteten Potentiometern wie z. B. Sensofoil Folienpotentiometern ist dies kein Problem, wohl aber bei offenen Systemen.
  • Basismaterial Kapton: Kaptonfolien (Polyimide) sind deutlich teurer, dafür hitzebeständiger als PET. Somit können Dickschichtpasten aufgedruckt werden, die bei Temperaturen >200 °C polymerisiert (vernetzt) werden. Dadurch wird eine hohe Abriebfestigkeit und Beständigkeit gegenüber aggressiven Substanzen erzielt. Das teure Kapton wird hier nur wegen des unter hohen Temperaturen ablaufenden Härtungsprozesses benötigt, die erforderlichen Einsatztemperaturen des Potentiometers liegen meist weit darunter.

Die Sensor-Gruppe der Hoffmann + Krippner GmbH hat nun eine Pastenrezeptur entwickelt und erprobt, die es erlaubt, abriebfeste und chemisch beständige Widerstandsbahnen auf preiswertes PET zu drucken. Dazu wurde eine bewährte Dickschichtpaste so modifiziert, dass sie auf einem Temperaturniveau, das die preisgünstigere PET-Folie aushält, vollkommen vernetzt und aushärtet. In Bezug auf Abriebfestigkeit und chemische Beständigkeit ist dieses System dem mit Leitpolymer auf Leiterplatte vergleichbar. Mit dieser neuen Potentiometervariante eröffnen sich interessante Einsatzmöglichkeiten. Die Folie lässt sich z. B. auf gebogene Oberflächen aufbringen, wie in nebenstehendem Bild gezeigt.

Schleifertechnologie

In den vorstehenden Ausführungen wurde mehrfach darauf hingewiesen, dass in potentiometrischen Anwendungen das Zusammenspiel zwischen Widerstandsbahn und Schleifer wichtig ist. Zur Verdeutlichung seien hier die beiden grundsätzlichen Varianten bei gedruckten Potentiometern kurz umrissen:

  • geschlossene gedruckte Potentiometer mit integriertem Schleifer, z. B. Sensofoil Folienpotentiometer: Hier wird eine an der Innenseite mit einem Abgriff bedruckte Kollektorfolie über die Folie mit der Widerstandsbahn geklebt. Beide Folienschichten sind durch einen rahmenartigen Abstandshalter voneinander getrennt. Ein nichtleitendes Druckstück drückt die Kollektorfolie an einem Punkt auf die Widerstandsbahn und übernimmt so die Aufgabe eines Schleifers.
  • offene, auf FR4 oder Folie gedruckte Potentiometer: Hierfür wird ein leitfähiger Schleifer benötigt. Die Auslegung des Schleifers ist abhängig von der Anwendung, dem verwendeten Widerstandsmaterial und dem Design. Häufig wird der sogenannte Kellenschleifer verwendet, dieser wird aber zunehmend durch den sogenannten Kratzschleifer ersetzt. <<

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